CN107750194A - 在hthp烧结过程中使用纤维及其随后与基底的附接 - Google Patents
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Abstract
本文公开了一种用于钻头的纤维加强切割元件及其制造方法。多根纤维形成并嵌入PCD台与附接的基底之间。所述纤维增强所述切割元件的热机械完整性及其耐磨耗性，并且还有助于最大程度减少所述PCD台与所述基底之间的粘合的失效。所述纤维可以用陶瓷材料涂覆以帮助在用于形成所述PCD台的HTHP烧结工艺期间承受高温。所述PCD台在HTHP压机循环后沥滤，从而部分地暴露所述纤维。然后通过渗透、热压或烧结工艺将具有部分暴露的纤维的所述PCD台粘合到基底。可以任选地使用粘合剂来增强所述基底与所述PCD台的所述粘合。
Description
技术领域
本公开一般涉及钻井工具，诸如掘土钻头，并且更具体地涉及纤维加强金刚石台及其制造方法。
背景
包括但不限于旋转钻头、扩孔器、取芯钻头和管下扩眼器的各种类型的钻井工具用于在井下地层中形成井筒。在过去的几十年中，已经在用于形成钻头的材料上取得了进步。有时所称的切割元件或切割器曾经由天然金刚石物质形成。由于成本和其他原因，该行业寻求替代材料。在二十世纪七十年代中后期，合成金刚石材料的进步使该行业能够用合成金刚石切割器取代天然金刚石切割器。所使用的最常见的合成金刚石是多晶金刚石材料。这些材料被制成盘，也被称为片。使用这种合成金刚石切割器的钻头通常被称为多晶金刚石复合片(PDC)钻头。
PDC切割器通常通过多晶金刚石粉末与通常由烧结碳化钨材料形成的基底的HTHP烧结而形成，其中来自基底的烧结助剂熔化并产生新的金刚石-金刚石键。PDC切割器与碳化钨基底分离(使用EDM、激光切割或其他方法)，并且有时沥滤以除去可能存在于间隙空间中的任何烧结助剂，以便在再次附接到另一基底之前形成热稳定的多晶(TSP)金刚石。PCD台安装在其上的基底通常由碳化钨材料形成。使用许多已知方法中的任一种将PCD台附接到基底上。然后将完成的PDC切割器安装到形成在钻头主体上的刀片上。
期望改善切割元件的热机械完整性以及这些元件的耐磨耗性，并且还要最大程度减少PCD台与碳化钨基底之间的粘合的失效。这样做将延长作为钻井过程关键部分的切割元件的寿命。
附图简述
为了更完整地理解本发明及其特征和优点，现在参考以下结合附图的描述，其中：
图1是示出根据本公开的纤维加强PCD切割器的示意图；
图2是示出根据本公开形成纤维加强PCD台的步骤的示意图；
图3是示出根据本公开借助于纤维将基底粘合到PCD台上的步骤的示意图；以及
图4-8是示出根据本公开形成纤维加强PCD切割器的各种示例性替代方法的流程图。
具体实施方式
本公开涉及一种通常由图1中所示的附图标记100指代的改进的PDC切割器。PDC切割器100由附接到基底120的PCD台110形成。根据本公开的PCD台由热稳定的多晶(TSP)金刚石形成。PCD台110是用金属烧结助剂制成的全沥滤PCD盘以及用非金属烧结助剂(例如，Mg、Ca、Ba、Sr等的碳酸盐)制成的PCD盘。基底120由钴烧结的碳化钨材料或渗有作为粘合剂的其他金属或合金的碳化钨形成。根据本公开的PDC切割器100包括嵌入PCD台110和基底120之中和之间的多根纤维130。
如本文所用，术语“纤维”被广义地定义为包括能够加强PCD台110和基底120的结构以及在所述结构之间形成的粘合的纤维、晶须、杆、线、狗骨式连接件(dog bone)、带、盘、晶片、薄片、环、它们的任何组合和类似的构件。这些纤维可以是微纤维、纳米纤维、它们的组合或其他合适的纤维。这些纤维(取决于它们的组成)可以与或可以不与金刚石形成碳化物键(经由HTHP压机循环)，并且还会加强它们所嵌入的周围材料以抵抗通过PCD台主体的裂纹产生和传播。
在一个示例性实施方案中，纤维组合物在HTHP(高温/高压)压机循环期间可具有高于烧结温度的熔点。示例性的纤维材料/组合物包括：钨、铂、铬、锆、铌、耐火陶瓷(例如，用氧化钇稳定的氧化锆(ZrO2/Y2/O3)或用氧化镁稳定的氧化锆(ZrO2/MgO)、碳化硅)和具有相似性质的材料/组合物以及它们的合金。纤维还可以对普通酸，例如在酸沥滤过程中使用的酸(例如，硝酸、硫酸、盐酸及其任何组合)具有化学耐受性。通常使用这些酸来沥滤金属烧结助剂，例如钴、铁、镍和用于形成在烧结工艺中形成PCD台的金刚石-金刚石键的其他类似烧结助剂。
多根纤维130的一个示例性实施例是以商品名NicalonTM销售的钨(W)微纤维，其熔点约为3420℃，远高于HTHP压机循环中通常所经历的约1200-1800℃的温度。由于通常已知钨不受大多数常见酸的影响，所以这些纤维在典型的沥滤步骤中将保持完整。多根纤维130的另一个示例性实施例是碳化硅(SiC)纤维，其熔点大约在2650-2950℃的范围内，也远高于在典型的HTHP压机循环期间所经历的典型温度。
在加载到用于HTHP压机循环的罐或模具期间，多根纤维130可以定位到金刚石粉末的一侧。如果需要，纤维130还可以沿一个方向对齐或定向，而不是随机定向。存在许多用于定向纤维130的已知技术。一种这样的技术是一旦将纤维装入模具中就将纤维暴露于电磁场。如本领域普通技术人员将认识到的，可以采用其他磁和/或化学定向技术来将纤维锚固到模具的基部，然后用与金属或非金属烧结助剂混合的金刚石粉末来填充模具。作为一个具体的实例，铂和钨是顺磁性的，且可以使用外部磁场进行定向。在一些情况下，这样的定位可以缓解裂纹的产生和传播，同时最大程度降低可能与一些加强纤维粉末相关的额外成本。纤维也可以锚定或生长在不同的金属盘上(这些金属在HTHP烧结步骤中保持不受影响，并在沥滤步骤中溶解)。这些纤维也可以使用各种物理和化学键合技术(例如粘接、钎焊、焊接等)预先取向并预先组装在模具的基部上。
多根纤维130也可以用陶瓷或耐火材料涂覆，以增加其在烧结期间对金刚石的粘附性，并增强其在沥滤期间的化学耐酸性。纤维130的加强也可以通过在纤维材料中掺入或掺杂烧结助剂材料来改善。在一个示例性实施例中，金属线可以涂覆有陶瓷层，以便在HTHP金刚石烧结步骤期间容易地形成碳化钨。在形成PDC切割器的酸浸过程中，这些涂层将保持不受影响，并且将充当随后附接到中间材料的锚定区。
现在将参考图2和图3描述用于形成纤维加强PDC切割器100的方法。该过程通常由参考标号200来提及。在第一步210中，将金属或非金属烧结助剂粉末(S)例如钴或碳化钨-钴混合物放入模具(M)底部。模具M优选地由铌或锆形成。然后将多根纤维130放入模具M中，优选以基本垂直的取向，从而使其从烧结助剂S中伸出。如上所述，存在多种用于使多根纤维130对齐使得它们具有期望的定向和分布的方法。在步骤210中，将金刚石粉末(D)放入模具M中的烧结助剂S的顶部。
一旦将烧结助剂粉末S、多根纤维130和金刚石粉末D放入模具M中，就将模具M放入HTHP压机中，该HTHP压机在大约1200-1800℃的温度下施加大约6-10GPa(千兆帕斯卡)的压力。该HTHP金刚石烧结步骤(图2中的步骤220)的细节在本领域是公知的，因此在此不再进一步描述。所得的盘包括与钴烧结的多晶金刚石台，其附接到嵌入有多根纤维130的钴或钴-碳化钨烧结基底。然后对盘进行溶解步骤，在金属烧结助剂的情况下，该步骤包括沥滤步骤(步骤230)，在该步骤期间除去盘中的任何残余金属烧结助剂。在一个示例性实施方案中，沥滤步骤通过将盘浸没在酸浴中进行，但是如本领域普通技术人员将理解的，可以使用其他沥滤方法。在酸浴中，将钴或钴-碳化钨材料沥滤掉，留下具有多根部分暴露的纤维130的PCD台，如图2的底部所示。
转到图3，描述了形成PDC切割器100的其余步骤300。将图2所示工艺流程中来自步骤230的具有部分暴露纤维130的PCD台110放入模具M中，使纤维130朝上。用于形成基底120的碳化钨粉末310被放入模具中与PCD台110相邻。此外，粘合剂320可以任选地如在典型的渗透过程中被放到碳化钨粉末310的顶部上，或者粘合剂320可以以所需比例与碳化钨粉末预混。基底也可以用标准或传统粉末冶金工艺以制造烧结碳化物的方式形成。典型的粘合剂材料可以包括铜、镍、钴、铁、铝、钼、铬、锰、锡、锌、铅、硅、钨、硼、磷、金、银、钯、铟、其任何混合物、其任何合金及其任何组合。在一个示例性实施例中，粘合剂可以是铜-锰-镍(Cu-Mn-Ni)。
一旦将所有组分放入模具M中，便将模具放入炉中，且使用压机(未示出)将模具的内容物置于压力下。在液化的粘合剂材料渗入基质材料预定的时长之后，可以将模具M从炉中取出并在受控的氛围(主要是使用氩气或真空产生的惰性氛围)中以受控的速率冷却。一旦形成，PDC切割器100就可以使用焊炬钎焊或其他技术被附接到形成在钻头主体的刀片(未示出)中的套筒中。
如本领域普通技术人员将认识到，根据本公开内容，存在制造纤维加强PDC切割器的多种替代方式。现在将参考图4-8讨论这些另外方法中的一些。
在一种示例性方法400中，如图4所示，将烧结助剂(粉末形式)放入模具M中(方框401)。接下来，将多根纤维(处于优选的取向)放入模具M中，每根纤维的至少一部分置于粉末中(方框402)。接下来，围绕纤维将金刚石粉末放入模具M中(方框403)。然后使模具的内容物经历HTHP压机循环(方框404)。然后例如通过酸浸(方框405)去除烧结助剂以形成热稳定的金刚石。这导致纤维部分暴露在所得盘的一个面上。将所得的具有纤维的盘与围绕纤维的形成基底的粉末一起放入模具中(方框406)。然后使模具的内容物经历热压、热等静压(HIP)或铸造过程(方框407)。然后将所得的纤维加强的PDC切割器冷却并从模具中取出(方框408)。
在另一种示例性方法500中，如图5所示，将具有以优选取向嵌入其中的纤维的预成形盘放入模具M中，使纤维面朝上(方框501)。接下来，围绕纤维将金刚石粉末放入模具中(方框502)。然后使模具的内容物经历HTHP压机循环(方框503)。将所得的盘从模具中取出，然后除去烧结助剂，例如，通过酸浸所得的盘(方框504)以形成热稳定的金刚石。这导致纤维部分暴露在所得盘的一个面上。然后将所得的具有向外突出的纤维的盘与围绕暴露纤维的形成基底的粉末一起放回模具中(方框505)。然后使模具的内容物经历热压、热等静压(HIP)或铸造过程(方框506)。然后将所得的纤维加强的PDC切割器冷却并从模具中取出(方框507)。
在另一种示例性方法600中，如图6所示，可以是金属、合金或复合材料(呈粉末或实心盘形式)的基础材料被放入模具M中(方框601)。选择基础材料使得其不会在HTHP压机循环期间熔化，即基础材料将具有比峰值HTHP压机温度更高的熔化温度。接着，将多根纤维放入模具中，每根纤维的至少一部分置于基础材料中(如果是粉末形式的话)(方框602)。如果使用嵌入有纤维的预成型盘作为起始材料，则步骤601和602可以合并。接下来，将与金属烧结助剂混合的金刚石粉末放入模具M中与具有部分暴露的纤维的基础材料(如果是粉末形式的话)(或具有向外突出的部分暴露的纤维的预制盘)相邻，使得金刚石粉末完全围绕部分暴露的纤维(方框603)。然后使模具的内容物经历HTHP压机循环(方框604)。将所得的盘从模具中取出，然后除去烧结助剂，例如，通过酸浸所述盘(方框605)以形成热稳定的金刚石。接下来，除去基础材料，暴露出嵌入基础材料中的纤维(方框606)。将所得的具有纤维的盘与围绕暴露纤维的形成基底的粉末一起放回模具中(方框607)。然后使模具的内容物经历热压、热等静压(HIP)或铸造过程(方框608)。然后将所得的纤维加强的PDC切割器冷却并从模具中取出(方框609)。
在另一种示例性方法700中，如图7所示，可以是金属、合金或复合材料(呈粉末或实心盘形式)的基础材料放入模具M中(方框701)。选择基础材料使得其将在HTHP压机循环期间熔化。例如，基础材料可以是铜。接着，将多根纤维放入模具中，每根纤维的至少一部分置于基础材料中(如果是粉末形式的话)(方框702)。如果使用嵌入有纤维的预成型盘作为起始材料，则步骤701和702可以合并。接下来，将与金属烧结助剂混合的金刚石粉末放入模具M中与具有部分暴露的纤维的基础材料(如果是粉末形式的话)(或具有突出的部分暴露的纤维的预制盘)相邻，使得金刚石粉末完全围绕部分暴露的纤维(方框703)。然后使模具的内容物经历HTHP压机循环(方框704)。将所得的盘从模具中取出，然后除去烧结助剂和基础材料，例如，通过酸浸所述盘(方框705)以形成热稳定的金刚石。在某些情形下，为了获得最佳的效率，也可能需要不同的工艺来去除烧结助剂和基础材料。所得的盘具有暴露的纤维。将其与围绕暴露纤维的形成基底的粉末一起放回模具中(方框706)。然后使模具的内容物经历热压、热等静压(HIP)或铸造过程(方框707)。然后将所得的纤维加强的PDC切割器冷却并从模具中取出(方框708)。
在另一种示例性方法800中，如图8所示，可以是金属、合金或复合材料(呈粉末或实心盘形式)的基础材料放入模具M中(方框801)。选择基础材料使得其不会在HTHP压机循环期间熔化。接着，将多根纤维放入模具中，每根纤维的至少一部分置于基础材料中(如果是粉末形式的话)(方框802)。如果使用嵌入有纤维的预成型盘作为起始材料，则步骤801和802可以合并。接下来，将与非金属烧结助剂混合的金刚石粉末放入模具M中与具有部分暴露的纤维的基础材料(如果是粉末形式的话)(或具有突出的部分暴露的纤维的预制盘)相邻，使得金刚石粉末完全围绕部分暴露的纤维(方框803)。然后使模具的内容物经历HTHP压机循环(方框804)。将所得的盘取出，然后除去基础材料，例如，使用溶剂、化学品、电解和其他已知技术(方框805)以形成热稳定的金刚石。所得的盘具有向外突出的暴露的纤维。然后将其与围绕暴露纤维的粉末形式的基底材料一起放回模具中(方框806)。然后使模具的内容物经历热压、热等静压(HIP)或铸造过程(方框807)。然后将所得的纤维加强的PDC切割器冷却并从模具中取出(方框808)。
如本领域普通技术人员将认识到的，可以将上述示例性方法中的一个或多个步骤进行组合和/或修改，以得到根据本公开的热稳定的纤维加强PDC切割器。
本文公开了一种用于钻头中的多晶金刚石切割器，其包括多晶金刚石台、附接到多晶金刚石台的基底和多根纤维，每根纤维的一部分嵌入多晶金刚石台中，并且每根纤维的一部分嵌入基底中。在本段落所述的任何实施方案中，所述多根纤维可以由微纤维、纳米纤维或其组合形成。在本段落所述的任何实施方案中，可以使所述多根纤维大体上在一个方向上和在多晶金刚石台的周边上对齐。在本段落所述的任何实施方案中，所述多根纤维可以涂覆有陶瓷或耐火材料。在本段落所述的任何实施方案中，所述多根纤维可以是化学上耐酸的。在本段落所述的任何实施方案中，所述多根纤维可以由钨、铂、铬、用氧化钇稳定的锆(ZrO2/Y2/O3)、用氧化镁稳定的锆(ZrO2/MgO)、碳化硅(SiC)及其组合形成。
本文公开了一种形成用于钻头中的多晶金刚石切割器的方法，所述方法包括：将金刚石粉末放入模具中；将多根纤维放入模具中，每根纤维的至少一部分置于金刚石粉末中；以及烧结金刚石粉末以形成多晶金刚石台。在本段落所述的任何实施方案中，所述方法还可以包括：将形成基底的粉末放入模具中与多晶金刚石台相邻，所述多根纤维中的每一根的至少一部分设置在形成基底的粉末中；以及将基底粘合到多晶金刚石台。
在本段落或前一段落所述的任何实施方案中，可以经由渗透、热压或烧结将基底粘合到多晶金刚石台。在本段落或前一段落所述的任何实施方案中，所述方法还可以包括将粘合剂添加到模具中与形成基底的粉末相邻。在本段落或前一段落所述的任何实施方案中、添加粘合剂可以包括添加由钴、铜、镍、钴、铁、铝、钼、铬、锰、锡、锌、铅、硅、钨、硼、磷、金、银、钯、铟及其混合物、其任何合金及其组合形成的材料。在本段落或前一段落所述的任何实施方案中，可以通过在纤维附近施加磁场来使所述多根纤维对齐。在本段落或前一段落中所述的任何实施方案中，所述方法还可以包括使所述多根纤维在一个方向上和在多晶金刚石台的周边上对齐。在本段落或前一段落所述的任何实施方案中，所述方法还可以包括用陶瓷或耐火材料涂覆所述多根纤维。在本段落或前一段落所述的任何实施方案中，所述方法还可以包括形成化学上耐酸的材料的多根纤维。在本段落或前一段落所述的任何实施方案中，所述方法还可以包括形成微纤维、纳米纤维或其组合的多根纤维。在本段落或前一段落所述的任何实施方案中，所述方法还可以包括形成由钨、铂、铬、用氧化钇稳定的锆(ZrO2/Y2/O3)、用氧化镁稳定的锆(ZrO2/MgO)、碳化硅(SiC)及其组合形成的材料的多根纤维。
在本段落或前两个段落所述的任何实施方案中，烧结可包括将模具加热至介于约1200℃与1800℃之间的温度，并使模具经历约6-10GPa的压力。在本段落或前两个段落所述的任何实施方案中，所述方法还可以包括将金属基烧结助剂与置于模具中的金刚石粉末混合，所述烧结助剂包括由VIII族元素及其组合和合金形成的金属，或由Ca、Mg、Ba、Sr及其组合形成的非金属烧结助剂。在本段落或前两个段落所述的任何实施方案中，所述方法还可以包括将非金属基烧结助剂与置于模具中的金刚石粉末混合。
虽然已详细描述本公开及其优点，但应理解，在不脱离如由所附权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下，可进行各种改变、替换和更改。本公开旨在涵盖落入所附权利要求范围的此类改变和修改。
Claims (20)
1.一种用于钻头中的多晶金刚石切割器，其包括：
多晶金刚石台；
附接到所述多晶金刚石台的基底；和
多根纤维，每根纤维的一部分嵌入所述多晶金刚石台中，并且每根纤维的一部分嵌入所述基底中。
2.根据权利要求1所述的多晶金刚石切割器，其中所述多根纤维包括选自由以下组成的组的纤维：微纤维、纳米纤维及其组合。
3.根据权利要求1所述的多晶金刚石切割器，其中使所述多根纤维大体上在一个方向上和在所述多晶金刚石台的周边上对齐。
4.根据权利要求1所述的多晶金刚石切割器，其中所述多根纤维涂覆有陶瓷或耐火材料。
5.根据权利要求1所述的多晶金刚石切割器，其中所述多根纤维在化学上耐酸。
6.根据权利要求1所述的多晶金刚石切割器，其中所述多根纤维由选自由以下组成的组的材料形成：钨、铂、铬、用氧化钇稳定的锆(ZrO2/Y2O3)、用氧化镁稳定的锆(ZrO2/MgO)、碳化硅(SiC)及其组合。
7.一种形成用于钻头中的多晶金刚石切割器的方法，其包括：
将金刚石粉末放入模具中；
将多根纤维放入所述模具中，每根纤维的至少一部分置于所述金刚石粉末中；以及
烧结所述金刚石粉末以便形成多晶金刚石台。
8.根据权利要求7所述的方法，其还包括：
将形成基底的粉末放入所述模具中与所述多晶金刚石台相邻，所述多根纤维中的每一根的至少一部分置于所述形成基底的粉末中；以及
将所述基底粘合到所述多晶金刚石台。
9.根据权利要求8所述的方法，其还包括经由渗透、热压或烧结将所述基底粘合到所述多晶金刚石台。
10.根据权利要求8所述的方法，其还包括将粘合剂添加到所述模具中与所述形成基底的粉末相邻。
11.根据权利要求10所述的方法，其中添加所述粘合剂包括添加选自由以下组成的组的材料：铜、镍、钴、铁、铝、钼、铬、锰、锡、锌、铅、硅、钨、硼、磷、金、银、钯、铟及其混合物、其任何合金及其组合。
12.根据权利要求7所述的方法，其中通过在所述纤维附近施加磁场来使所述多根纤维对齐。
13.根据权利要求7所述的方法，其还包括使所述多根纤维在一个方向上和在所述多晶金刚石台的周边上对齐。
14.根据权利要求7所述的方法，其还包括用陶瓷或耐火材料涂覆所述多根纤维。
15.根据权利要求7所述的方法，其还包括形成化学上耐酸的材料的所述多根纤维。
16.根据权利要求7所述的方法，其还包括形成选自由以下组成的组的材料的所述多根纤维：微纤维、纳米纤维及其组合。
17.根据权利要求7所述的方法，其还包括形成选自由以下组成的组的材料的所述多根纤维：钨、铂、铬、用氧化钇稳定的锆(ZrO2/Y2/O3)、用氧化镁稳定的锆(ZrO2/MgO)、碳化硅(SiC)及其组合。
18.根据权利要求7所述的方法，其中烧结包括将所述模具加热至介于约1200℃与1800℃之间的温度，并且使所述模具经受约6-10GPa的压力。
19.根据权利要求7所述的方法，其还包括将金属基烧结助剂与置于所述模具中的所述金刚石粉末混合，所述烧结助剂包括金属或非金属烧结助剂，所述金属选自由VIII族元素的金属及其组合和合金组成的组，所述非金属烧结助剂选自由Ca、Mg、Ba、Sr及其组合组成的组。
20.根据权利要求7所述的方法，其还包括将非金属烧结助剂与置于所述模具中的所述金刚石粉末混合。
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